倍可親

斯坦福直線加速器SLAC探秘

作者:白露為霜  於 2015-9-28 21:56 發表於 最熱鬧的華人社交網路--貝殼村

作者分類:浪跡天涯|通用分類:留學生活|已有30評論

關鍵詞:斯坦福, SLAC, 加速器

白露為霜註:不久前Dear Husband因為一個特殊的機緣被邀請參加SLAC的一個對公眾開放的活動,得以一這所著名的國家實驗室的眾多重要設施,也算是圓了他多年的一個心愿。

 

以光速飛行

 

人人都知道原爆威力巨大,其實比它更可怕的還有 - 當物質與反物質相遇時被稱為湮滅(annihilation) 的劇烈爆炸。核反應中只有一小部分物質轉變為能量,而物質與反物質在湮滅時則完全轉換成能量,因此其威力要比原爆要大的多。你要是科幻片Star Trek(中文翻譯為星際迷航」)的粉絲,或許知道飛船奮進號」(Enterprise)使用的就是反物質推進引擎,可以輕鬆地進行星際旅行。

其實反物質不只是在物理書或科幻小說中存在,在美國舊金山灣區人口最稠密的地區,在斯坦福大學,很多年來物質與反物質湮滅的事件不斷地發生,這是大多數矽谷居民做夢都沒想到的。280號公路是矽谷的一條大動脈,每天車流滾滾,風馳電掣。在離砂山路(Sand Hill)出口不遠的地方,一束束電子或正電子在地下數十米處橫穿280號公路,撞向目標 - 另一束迎面飛奔而來的粒子。

這就是著名的斯坦福線性加速器(Stanford Linear Accelerator Center, 簡寫SLAC)SLAC擁有世界上最長的2英里直線加速器。它使用一系列速調管(Klystron)將代電粒子加速到光速的99.9999999%,讓它們相互碰撞,然後觀察會發生什麼事情,這就是加速器最重要的目的。

1962年,直線粒子加速器在大學西部丘陵中開始動工建設。早先被稱為「M項目M取義怪物」(Monster),科學家利用它將電子加速到接近光速來進行亞原子粒子的研究。斯坦福大學將土地租給聯邦政府用於建造加速器中心,並提供了腦力支持;能源部(DoE)則在財力和管理上的給予幫助。這種合作方式從1966年加速器建成一直延續至今,取得了豐碩的成果。

1968SLAC的科學家在用高能電子束轟擊質子時就發現還有更小的實體存在。這項發現對當時粒子物理的觀念產生了強烈衝擊。後來證實這些神秘實體就是所謂的夸克」(quark)。為此,SLAC的兩位研究人員和一位麻省理工的科學家共享1990年的諾貝爾物理學獎。到了1974年,斯坦福線性加速器中心的研究人員再次挖到物理學的金礦,他們使用SLAC的正負電子不對稱環(SPEAR)發現粲夸克和反粲夸克(charm quark)。兩年以後,SLAC的物理學家同布魯克海文國家實驗室的丁肇中共享諾貝爾獎。在1975年,斯坦福線性加速器中心的物理學家Martin Perl宣布發現了τ輕子電子的一個較重的親戚。為此他獲得了1995年諾貝爾物理學獎。

除了在科學上的發現之外,SLAC對矽谷的發展也起到過直接的作用。1974年,一群灣區的電子愛好者成立了「家釀計算機俱樂部」(Homebrew Computer Club),它在個人電腦發展的早期中起過關鍵性的作用。蘋果創始者的史蒂夫·沃茲尼亞克(Steve Wozniak)是俱樂部最早的成員之一。俱樂部中有一位SLAC的工作人員,於是SLAC演講廳成為俱樂部活動的地點(當時保安沒有現在這麼嚴)。沃茲和蘋果的另一個創始者喬布斯曾經在俱樂部會議上試圖推銷他們的產品 – Apple I。未果。這段歷史也展示了矽谷的獨特的成功秘訣 - 學術界,工業界,科技愛好者,以及公眾的水乳交融。

 

當半天的物理學家

 

作為能源部主要的國家實驗室之一,SLAC平常有非常嚴格的安全守衛。以前定期舉行的實驗室游幾年前也因資金問題等而被取消,這樣公眾幾乎沒有進入實驗室內參觀的可能。20159月,SLAC敞開大門,邀請一群科學和攝影愛好者進行了一次獨特的攝影游(Photowalk),讓人們有機會了解物理學家在這裡做了些什麼。一行18個人分為三個組,每組有2SLAC工作人員護送,全程大約為3個小時。他們參觀的設施包括斯坦福同步輻射光源(Stanford Synchrotron Radiation LightsourceSSRL)直線加速器相干光源(Linac Coherent Light Source LCLS),斯坦福直線對撞機 (Stanford Linear Collider)等。

1)斯坦福同步輻射光源

你也許覺得國家實驗室應該是明窗淨幾,一塵不染,工作人員身穿白大褂;SLAC的實驗室卻更像工廠的車間。科學家們大多身著隨意,各種奇形怪狀的儀器設備堆滿這座簡易房。在這裡科學家利用SPEAR產生出極強的X照射各種樣品來,然後測量樣品如何吸收和發散X射線,確定它們的原子和分子的結構,以及物理和電子屬性。SSRL進行的研究工作使得美國經濟的很多方面受益,並推動了能源生產,環境整治,納米技術,新材料,醫藥領域的重大進展。 數名科學家因為在這裡的工作而獲得諾貝爾獎。SSRL還雇傭眾多的研究生和博士后,成為未來科學家和工程師的一個重要訓練場所。

2)直線加速器相干光源

作為世界上最強大的X射線激光,直線加速器相干光源可以讓研究者觀察到原子大小的物體以及發生在不到一秒鐘的萬億分之一的事件。由於這些前所未有的速度和規模,LCLS推進了在物理學,結構生物學,能源科學,化學等眾多不同的領域的開創性研究。自2009年推出以來,LCLS已經吸引了來自世界各地的研究者探索普通和特殊材料的最內層的運作和性能。

3) 斯坦福直線對撞機

SLAC在近40年時間一直是世界上最長的直線加速器和最重要的正負電子對撞機。它包括在地下建造的2英里長的加速道以及其相應的地上建築,電子源建築,加速結束後轉彎磁鐵,以及斯坦福大型探測器(SLD)等建築組成。電子同正電子(電子的反物質)低能湮滅時會產生出伽馬射線,可當電子或正電子被加到很高的速度再相撞,各種古怪奇異的東西會產生出來,有時是W玻色子(W boson),有時是Z玻色子(Z boson),甚至膠子(gluon),質子。SLAC並不是最大的加速器,但它的尺寸和設計很適合產生和研究Z玻色子。

 

新的希望

 

20082SLAC終止公共的實驗室游時它正在經歷一次中年危機。那時對撞機的大型探測器(SLD)被關閉封存。灣區的地價和建設費用高漲已經使得建造下一代直線對撞機成為不可能的事情。同時,世界高能粒子的研究中心從美國轉移到瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心 (CERN)。當時有很多人都懷疑沒有加速器的SLAC還能存在下去嗎?

7年以後第一次對公眾開放的攝影游顯示SLAC國家實驗室活的好好的。它成功地從高能粒子物理轉型成為高強度X射線研究工作中心。原有加速器的軌道被改用於新目的世界上最大的X射線激光源。在SLAC進行的基礎研究對矽谷的生命線:新材料,清潔能源,分子生物,醫藥工程等有著更直接的貢獻。我非常高興地報告,年過半百的SLAC又重新煥發青春。衷心地祝願SLAC好運,並期待著它再度開放非常受歡迎的實驗室游

 

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以下照片均攝於2015年9月(SLAC做的是基礎研究,沒有限制級的東西)

SLAC的女博士后 Laura Schelhas

SSRL的實驗室

控制房

 

Rob Moore帶一個研究生在安裝某設備

 

SSRL Beamline 6-2花絮:這裡時間停止不動

工作人員在操作機器

實驗室內一景

LCLS的控制室

工作人員講解實驗室的精密儀器

LCLS利用X射線激光照射樣品

相干X射線成像(Coherent X-ray Imaging) 區域經理Matt Hayes

 

實驗室內的儀器

已被封存的斯坦福大型探測器(SLD),粒子碰撞在這裡發生

粒子碰撞會產生大量有害射線,巨型的防護層以保護人員的安全

廢棄的SLD花絮

LCLS的精密儀器

實驗室內景

LCLS實驗室的巨型儀器

實驗室內的儀器

實驗室內花絮

SLAC加速器用的光管(light piple)

SLAC直線加速器的地上建築 - 調速器展覽館(klystron gallery)

用來加速帶電粒子的調速器

SSRL科學家Chris Tassone

 

 

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發表評論 評論 (30 個評論)

回復 法道濟 2015-9-28 23:15
好像國會否決了建造更大加速器的預算,使美國物理研究備受打擊,是這樣嗎?
回復 釣魚城 2015-9-28 23:15
這是一個砸核桃的過程。也是一個撞大運的過程。
設備完全是非標準的,設計製作很難。
回復 白露為霜 2015-9-28 23:52
法道濟: 好像國會否決了建造更大加速器的預算,使美國物理研究備受打擊,是這樣嗎?
自從2011年美國關閉了費米實驗室的Tevatron Collider后,美國已經沒有什麼還在運作的大型對撞機了。美國科學家也要去CERN做實驗。
下一代比CERN更大的對撞機有好幾個提案在籌劃,包括在中國的,但肯定是要進行國際合作,單個國家已經無力支持這樣的工程和極為複雜的配套儀器。
回復 白露為霜 2015-9-28 23:54
釣魚城: 這是一個砸核桃的過程。也是一個撞大運的過程。
設備完全是非標準的,設計製作很難。
這樣的儀器全世界也需要不了幾台,研製的費用極高。
回復 meistersinger 2015-9-29 00:06
always wanted to visit this place.
回復 法道濟 2015-9-29 00:26
白露為霜: 自從2011年美國關閉了費米實驗室的Tevatron Collider后,美國已經沒有什麼還在運作的大型對撞機了。美國科學家也要去CERN做實驗。
下一代比CERN更大的對撞機有好
美國國會否決的時間應是在幾年前,當美國強盛時
回復 小雨點0514 2015-9-29 03:19
白露好牛!
回復 sissycampbell 2015-9-29 05:02
高精尖的科學技術,對一個學文的人來說是個挑戰!分享白露精闢的講解!問好!
回復 YHOO 2015-9-29 05:57
謝謝分享!
回復 十路 2015-9-29 07:00
很好的介紹,我還沒有看到這麼詳細的近距離圖片。
回復 專治蛋疼2 2015-9-29 08:11
弱弱的問一句,會把地球給neng壞么     
回復 白露為霜 2015-9-29 08:51
專治蛋疼2: 弱弱的問一句,會把地球給neng壞么        
如果人類能夠大規模生產反物質,那是有可能造成大災難。現在能造出的反物質數量還很小。
回復 白露為霜 2015-9-29 08:51
十路: 很好的介紹,我還沒有看到這麼詳細的近距離圖片。
謝謝。
回復 白露為霜 2015-9-29 08:52
YHOO: 謝謝分享!
謝謝留言。問好。
回復 白露為霜 2015-9-29 08:52
sissycampbell: 高精尖的科學技術,對一個學文的人來說是個挑戰!分享白露精闢的講解!問好!
問好SISSY。
回復 白露為霜 2015-9-29 08:52
meistersinger: always wanted to visit this place.
我也是。
回復 白露為霜 2015-9-29 08:53
小雨點0514: 白露好牛!
    問好小雨點。
回復 蘭黛 2015-9-29 10:18
白老師好文章,謝謝對SLAC的介紹。
回復 Sc2885375 2015-9-30 00:28
美國一流大學真的是名符其實...參與國家頂級研究機會之多,哪囯能及?
美國政府並沒有創新科技部門或委員會之設,但源於美國的創新科技冠絕全球。
當中國人和印度人仍然在爭論二十一世紀是誰的時候,美國已經著手規劃月球基地,准備遠赴火星,更在尋找另外一個宜居的星球...
回復 xqw63 2015-9-30 01:47
這麼多零件,腦袋都大了
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